Linux Kernel là gì? Linux Kernel là nhân (core) của hệ điều hành Linux – thành phần trung tâm và quan trọng nhất của hệ thống. Đây là phần mềm hoạt động ở mức thấp nhất, đóng vai trò cầu nối giữa phần cứng máy tính và các ứng dụng phần mềm. Cùng VinaHost tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của Linux Kernel cũng như cách cài đặt Linux Kernel qua bài viết sau đây nhé!

1. Linux Kernel là gì?

Linux Kernel® là một Kernel miễn phí, mã nguồn mở và đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống máy tính. Trong hệ điều hành Linux (OS), Linux Kernel tạo nên một giao diện thiết yếu giữa tầng phần cứng và phần mềm, cho phép hệ điều hành quản lý nhiều thành phần khác nhau cùng lúc.

Kernel là các chương trình máy tính tạo thành lõi của một hệ điều hành (OS) và cung cấp cho người dùng khả năng kiểm soát hoàn toàn các thành phần phần cứng và phần mềm tạo nên hệ thống. Kernel giúp ngăn chặn xung đột giữa các tiến trình quan trọng, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

Kernel code được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính và cho phép tất cả các tương tác giữa phần mềm và phần cứng diễn ra như quá trình input/output (I/O), sự hoạt động của CPU và bộ nhớ đệm (cache), drivers thiết bị, file systems và network sockets.

Vào năm 1991, Linus Torvalds, một sinh viên người Phần Lan đã công bố dự án hạt nhân (kernel) mã nguồn mở đầu tiên như một giải pháp thay thế miễn phí cho hệ điều hành Unix vốn đắt đỏ và bị giới hạn bản quyền. Ban đầu, Linux chỉ là một dự án nhỏ dành cho cá nhân, nhưng nhờ vào mô hình mã nguồn mở, nó nhanh chóng thu hút sự đóng góp của cộng đồng lập trình viên toàn cầu.
Trong suốt hơn ba thập kỷ phát triển, Linux Kernel không ngừng được cải tiến về hiệu năng, bảo mật và khả năng tương thích với phần cứng. Mỗi phiên bản phát hành đều bổ sung nhiều tính năng mới và hỗ trợ ngày càng nhiều kiến trúc hệ thống.

Ngày nay, Linux Kernel là nền tảng của nhiều hệ điều hành hiện đại, bao gồm Android, các bản phân phối Linux như Ubuntu, CentOS, và được sử dụng rộng rãi trong máy chủ, siêu máy tính, hệ thống nhúng (embedded system) và các thiết bị di động trên toàn thế giới.

Linux Kernel là gì? — *Linux Kernel (hạt nhân Linux) là thành phần cốt lõi, “bộ não” của hệ điều hành Linux.*

2. Cách thức hoạt động của Linux Kernel

Linux Kernel hoạt động dựa trên kiến trúc nguyên khối (monolithic kernel), tức là hầu hết các thành phần cốt lõi của hệ điều hành – bao gồm quản lý tiến trình, bộ nhớ, hệ thống tập tin, điều khiển thiết bị (drivers), giao tiếp mạng và quản lý hệ thống – đều được tích hợp trực tiếp trong không gian kernel. Điều này giúp hệ điều hành Linux Kernel có hiệu năng cao do các thành phần có thể tương tác trực tiếp mà không cần qua trung gian.

So với kiến trúc microkernel, nơi chỉ giữ lại các chức năng tối thiểu trong kernel (như quản lý bộ nhớ và lịch CPU), còn các dịch vụ khác như điều khiển thiết bị, hệ thống tập tin, giao tiếp mạng… sẽ được xử lý bên ngoài ở chế độ người dùng (user space), kiến trúc monolithic của Linux giúp giảm độ trễ, tăng hiệu suất, nhưng cũng đi kèm với nguy cơ lỗi hệ thống cao hơn nếu có lỗi trong bất kỳ thành phần nào trong kernel.

Tuy nhiên, Linux Kernel vẫn có tính modular, tức là có thể tải hoặc gỡ bỏ các mô-đun kernel (kernel modules) một cách linh hoạt mà không cần khởi động lại hệ thống. Điều này cho phép mở rộng khả năng của kernel mà vẫn giữ được tính linh hoạt, ví dụ như thêm driver cho phần cứng mới, hoặc cập nhật chức năng bảo mật.

Ngoài ra, Linux Kernel còn đảm nhiệm việc giao tiếp giữa phần mềm và phần cứng, đảm bảo mỗi yêu cầu từ ứng dụng người dùng đều được chuyển đổi thành các thao tác phù hợp với phần cứng thông qua hệ thống gọi (system calls), trình điều khiển và API nội bộ. Điều này giúp hệ điều hành hoạt động ổn định, an toàn và hiệu quả trên nhiều loại thiết bị khác nhau.

3. Tính năng nổi bật của Linux kernel

3.1. Quản lý bộ nhớ

Quản lý bộ nhớ là một trong những chức năng quan trọng nhất của Linux Kernel, đảm bảo rằng mọi chương trình đều có không gian riêng để hoạt động mà không xung đột với nhau. Hệ thống quản lý bộ nhớ của Linux rất linh hoạt và có khả năng xử lý hiệu quả trong môi trường đa nhiệm và tải cao.

Kernel thực hiện điều này thông qua một số cơ chế chính:

Bộ nhớ ảo (Virtual Memory): Đây là nền tảng của quản lý bộ nhớ trong Linux. Thay vì các chương trình truy cập trực tiếp vào bộ nhớ vật lý, kernel sẽ cung cấp cho mỗi tiến trình một không gian địa chỉ bộ nhớ ảo riêng biệt. Kernel sau đó chịu trách nhiệm ánh xạ (map) các địa chỉ ảo này sang các địa chỉ vật lý có sẵn.
Phân trang (Paging) và Hoán đổi (Swapping): Khi bộ nhớ vật lý cạn kiệt, Linux Kernel sử dụng cơ chế phân trang. Nó chia không gian bộ nhớ ảo thành các khối nhỏ cố định gọi là “trang” (pages) và bộ nhớ vật lý thành “khung trang” (frames). Nếu một tiến trình cần bộ nhớ và không có đủ khung trang vật lý, kernel có thể di chuyển (swap out) các trang ít được sử dụng từ bộ nhớ vật lý sang một khu vực đặc biệt trên ổ đĩa cứng gọi là “không gian hoán đổi” (swap space). Khi các trang đó cần được truy cập lại, chúng sẽ được “hoán đổi vào” (swap in) lại vào bộ nhớ vật lý.
Phân bổ bộ nhớ (Memory Allocation): Kernel quản lý việc cấp phát và thu hồi bộ nhớ cho các tiến trình. Khi một chương trình yêu cầu bộ nhớ (ví dụ, khi gọi malloc() trong C), kernel sẽ tìm kiếm một vùng bộ nhớ trống phù hợp và cấp phát nó. Khi bộ nhớ không còn cần thiết, nó được trả về cho kernel để tái sử dụng.
Bộ nhớ đệm (Caching): Linux Kernel tận dụng bộ nhớ RAM một cách thông minh bằng cách sử dụng nó làm bộ nhớ đệm cho dữ liệu đĩa (disk cache). Điều này giúp tăng tốc độ đọc/ghi dữ liệu vì việc truy cập RAM nhanh hơn rất nhiều so với truy cập ổ đĩa. Khi bạn đọc một file, kernel sẽ lưu một bản sao của file đó trong bộ nhớ đệm. Nếu bạn hoặc một chương trình khác cần đọc lại file đó, kernel có thể truy xuất nó từ bộ nhớ đệm thay vì phải đọc lại từ ổ đĩa.

3.2. Quản lý Process

Khả năng quản lý Process (tiến trình) của Kernel Linux cho phép bạn tạo, lập lịch và kết thúc các chương trình đang chạy (gọi là tiến trình). Linux Kernel hỗ trợ đa nhiệm tiền xử lý (preemptive multitasking), cho phép nhiều tiến trình hoạt động đồng thời bằng cách chia nhỏ thời gian CPU. Đây là cách kernel đảm bảo nhiều ứng dụng có thể chạy đồng thời mà không cản trở lẫn nhau:

Lập lịch CPU (CPU Scheduling): Sử dụng nhiều thuật toán khác nhau như Completely Fair Scheduler (CFS) để phân bổ tài nguyên công bằng cho các tiến trình.
Hệ thống PID: Mỗi tiến trình đều có Process ID riêng để theo dõi, quản lý và giao tiếp.
Fork & Exec: Cung cấp khả năng nhân bản tiến trình hiện tại hoặc thay đổi nội dung tiến trình bằng một chương trình khác.
Quản lý trạng thái: Kernel theo dõi mọi trạng thái của tiến trình như đang chạy, đang chờ, bị treo hoặc đã kết thúc.
IPC (Interprocess Communication): Cho phép các tiến trình giao tiếp thông qua signals, pipes, shared memory, message queues,…

Bạn có thể sử dụng lệnh htop trong Terminal để xem nhanh các process đang chạy. Lệnh này còn trả về các thông tin khác chẳng hạn thứ tự ưu tiên trong lịch và tỉ lệ CPU đang dùng.

3.3. Quản lý thiết bị

Linux Kernel sử dụng mô hình trình điều khiển thiết bị (device driver) để quản lý mọi phần cứng được kết nối với hệ thống:

Trình điều khiển thiết bị (Device Drivers): Đây là trái tim của quản lý thiết bị. Mỗi loại thiết bị phần cứng cần một trình điều khiển (driver) tương ứng. Driver là một đoạn mã đặc biệt trong kernel có nhiệm vụ hiểu cách giao tiếp với một thiết bị cụ thể. Khi một ứng dụng muốn sử dụng một thiết bị (ví dụ: đọc từ ổ cứng), nó sẽ gửi yêu cầu đến kernel, và kernel sẽ chuyển yêu cầu đó cho driver của thiết bị tương ứng để xử lý.
Tất cả thiết bị là file: Trong Linux, mọi thiết bị đều được biểu diễn như một tập tin đặc biệt trong thư mục /dev, giúp thao tác đơn giản và đồng nhất.
Hệ thống udev (Userspace Device Manager): Tự động phát hiện và cấu hình thiết bị khi được kết nối hoặc tháo ra.
Hỗ trợ Plug and Play: Cho phép nhận diện thiết bị và cài đặt driver tự động.
Driver Module: Trình điều khiển có thể được nạp/dỡ động (dynamic loading) mà không cần khởi động lại hệ thống.
Unified Driver Interface: Kernel cung cấp giao diện chuẩn cho các nhà phát triển viết driver mới dễ dàng tích hợp.

Xem thêm: Almalinux là gì? | Tổng quan kiến thức về Almalinux

4. Hướng dẫn cách cài đặt Linux kernel

Một điểm nổi bật của Linux Kernel là khả năng cho phép người dùng nâng cấp hoặc thay đổi sang các phiên bản kernel khác nhau phù hợp với nhu cầu hiệu năng, bảo mật hoặc phần cứng mới. Tuy việc biên dịch và cài đặt kernel thủ công có phần phức tạp, hướng dẫn dưới đây của VinaHost sẽ trình bày hai phương pháp phổ biến và đơn giản nhất để cài đặt Linux Kernel trên Ubuntu và Fedora.

Khi khách hàng sử dụng VPS tại VinaHost như: VPS giá rẻ, VPS cao cấp, VPS NVMe, VPS MMO, VPS n8n đều được hỗ trợ tận tình về vấn đề cài đặt Linux Kernel trên Ubuntu và Fedora.

4.1. Cách cài đặt Linux Kernel trên hệ điều hành Ubuntu

Ubuntu hỗ trợ nhiều cách cập nhật kernel, từ cài đặt thủ công đến sử dụng công cụ hỗ trợ như Mainline Kernels. VinaHost sẽ hướng dẫn bạn 3 cách cơ bản nhất.

Cách 1: Biên dịch và cài đặt kernel thủ công từ mã nguồn

Bước 1: Tải mã nguồn kernel từ trang chính thức
Truy cập https://www.kernel.org và tải phiên bản bạn mong muốn. Sau đó, giải nén file:

Bước 2: Cấu hình kernel
Bạn có thể sử dụng cấu hình sẵn từ kernel hiện tại:

Giao diện dòng lệnh sẽ hiển thị, cho phép bạn tuỳ chọn các mô-đun cần bật hoặc tắt.

Lưu ý: Bạn cần chạy các lệnh này với quyền root (sudo -s hoặc sudo su).

Bước 3: Cài đặt các gói phụ thuộc cần thiết để biên dịch

Bước 4: Biên dịch và cài đặt

Bước 5: Tạo initramfs cho kernel mới

Bước 6: Cập nhật GRUB và khởi động lại

Sau khi khởi động lại, kiểm tra kernel đang chạy bằng:

Cách 2: Sử dụng gói .deb từ Ubuntu Kernel PPA

Bước 1: Tải các gói .deb từ https://kernel.ubuntu.com/~kernel-ppa/mainline/

Tải về các file:

linux-headers-*.deb
linux-image-*.deb
linux-modules-*.deb

Bước 2: Cài đặt các gói bằng lệnh:

Bước 3: Khởi động lại hệ thống

Bước 4: Kiểm tra kernel mới:

Cách 3: Dùng ứng dụng GUI – Mainline Kernels

Đây là ứng dụng giao diện đồ họa (GUI) giúp người dùng cài kernel dễ dàng hơn.

Bước 1: Thêm PPA chứa ứng dụng:

Bước 2: Cài đặt ứng dụng:

Bước 3: Mở Mainline từ menu hệ thống, chọn kernel cần cài (ví dụ: 6.10.9) và nhấn Install. Sau khi hoàn tất, bạn khởi động lại máy và kiểm tra phiên bản kernel mới bằng uname -a.

4.2. Cách cài đặt Linux Kernel trên hệ điều hành Fedora

Trên Fedora, việc tích hợp các bản kernel mới cũng rất linh hoạt thông qua hệ thống repo vanilla.

Fedora cung cấp một repo tên là Kernel Vanilla Repositories để người dùng dễ dàng tiếp cận các bản kernel mới từ kernel.org.

Cách thực hiện như sau:

Bước 1: Thêm kho kernel vanilla

Bước 2: Cài đặt kernel từ kho đã thêm

Bạn cũng có thể thay kernel-vanilla-stable bằng:

kernel-vanilla-mainline (bản mới nhất chưa ổn định)
kernel-vanilla-fedora (bản mới theo chu kỳ Fedora)
kernel-vanilla-stable-rc (bản Release Candidate mới nhất)

Bước 3: Khởi động lại để sử dụng kernel mới

Bước 4: Kiểm tra phiên bản kernel hiện tại

Nếu bạn sử dụng dịch vụ máy chủ hoặc VPS, hãy sao lưu dữ liệu trước khi nâng cấp kernel và đảm bảo hệ thống có khả năng khôi phục nếu kernel mới gây lỗi. VinaHost khuyến nghị khách hàng liên hệ bộ phận kỹ thuật để được hỗ trợ kernel phù hợp với hệ thống đang dùng.

Xem thêm: [Tổng Hợp] Các câu lệnh trong Linux mà bạn nên biết

5. Tổng kết

Là một dự án mã nguồn mở, Linux Kernel đã thúc đẩy sự đổi mới và hợp tác toàn cầu chưa từng có. Điều này cho phép kernel thích nghi nhanh chóng với công nghệ phần cứng mới, đồng thời cung cấp một nền tảng vững chắc cho vô số bản phân phối Linux và ứng dụng tùy chỉnh, từ đó thúc đẩy sự phát triển của điện toán đám mây, trí tuệ nhân tạo và nhiều lĩnh vực công nghệ tiên tiến khác.

Mong rằng qua bài viết trên của VinaHost, bạn đã hiểu rõ Linux Kernel là gì và biết cách tự cài đặt Linux Kernel cho hệ thống của mình. Bạn có thể xem thêm các bài viết thú vị khác tại Blog của VinaHost và đừng ngại ngần liên hệ với chúng tôi nếu cần hỗ trợ nhé: